石人沟铁矿采空区三维激光空区稳定性分析

石人沟铁矿采空区三维激光空区稳定性分析

1石人沟铜矿采空区稳定性研究中国大部分重要的矿产资源超过85%，主要为倾斜和快速倾斜矿床，矿体形状较小，属于短而深矿床。目前多数矿山有几十年的开采历史,有的矿山已经进入到中晚期,但露天矿深部矿体大约有20亿～30亿t的资源量,尽早考虑地下开采已迫在眉睫。地下矿山开采过程中,受开挖、爆破等因素的影响,必然会扰动或者破坏原先处于相对平衡状态的地应力场,使得应力发生转移并重新分布,继而导致岩体不同程度上的变形,露天开采留下的高陡边坡、露天转地下开采衔接层的稳定性以及地下开采形成的采空区均为重大危险源,严重危害着此类矿山的安全生产。石人沟铁矿是我国由露天转入地下开采较早的矿山。该矿的露天转地下开采遇到的技术问题多,如露天开采极限深度的确定、残留矿柱的回采问题、露天转地下开采过渡期间的产量衔接、地下采空区的不确定性以及回采过程中空区群对露天边坡稳定的影响等。采空区的稳定性和处理是石人沟铁矿顺利进行露天转地下安全开采的重要技术问题。因此,应用CMS探测空区的三维形态并通过数值模拟计算进行采空区稳定性分析,可以为石人沟铁矿露天转地下开采首采层的采空区处理与矿柱回收提供科学依据,并能为进一步深入地下开采提供技术保障。2采空区群研究河北钢铁集团石人沟铁矿于1975年7月建成投产,设计规模150万t/a,矿山最终产品为单一铁精矿。矿山采区南北长2.8km,矿体自南向北分布在30#勘探线至5#勘探线之间,以18#勘探线为界将采区划分为南、北2个采区。通过近30年的生产,石人沟铁矿露天开采已经结束,于2003年转入地下开采,露天转地下开采的首采层采用空场法开采,开采水平为-60m中段水平,以16线为界分为南北2个采区,以浅孔留矿法为主,开采后在0m和-60m水平形成大量的采空区群。采空区的长期留存势必会给地下开采带来安全隐患,因此必须及时研究处理方案,同时也为下一阶段地下开采提供安全技术保障。在此条件下,对石人沟铁矿-60m水平中段已经进行测量的采空区(群)进行了详细的分析,主要研究内容和方法如下。(1)运用CMS系统对采空区群进行精密探测,获取空区实际的三维形态和空间位置。(2)对CMS探测数据文件进行处理,利用3Dmine软件得到采空区的实体模型和块体模型。(3)对模型数据进一步分析,生成FLAC3D计算文件,在FLAC3D中构建数值计算模型。(4)运用FLAC3D软件对石人沟-60m水平采空区实际开采过程进行数值模拟计算,并根据计算结果对采空区群稳定性进行分析。3在采空区检测并模拟数值模拟的基础模型中构建3.1旋转扫描数据收集CMS是一种基于激光的三维空间精密探测系统,可有效地获得三维形态和空间位置。CMS系统采用的激光扫描头可做360°旋转并收集数据,每完成一次360°的扫描,扫描头将自动按照操作人员事先设定的角度抬高其仰角进行新一轮的扫描,收集更大旋转圈上点的数据,直至完成全部探测工作。但CMS后只能形成采空区的三维形态模型,不能直接用于模拟分析,还必须借助大型矿床建模软件3Dmine进行地质体的三维建模。3.2采空区群稳定性数值模型大型三维矿山设计软件3Dmine具有强大的三维地质建模能力,采空区群稳定性数值模拟基础模型是在3Dmine块体模型基础上形成的。图1为石人沟铁矿地下采空区某区域三维实体模型。3.2.1块模型参数的确定(1)创意手稿可以是方位、倾角、插入的参照点等参数。(2)范围包括了X、Y、Z三个方向的范围。(3)角指模型主轴与水平方向的角度。(4)请倾斜是指垂直方向的角度,也就是与模型方位角平面正交方向的倾角。(5)倾斜角是指模型旋转前的水平线在旋转后与水平面的夹角,这也是模型的倾斜度的参照。(6)用户权限指用户块X、Y、Z方向的大小,取决于建模的目的。3.2.2面体单元划分矿体和采空区模型的所有单元X、Y方向上都采用4m×4m×4m的六面体单元的结合方式进行划分。然后逐个矿体和采空区的建立相应的约束文件,对块体进行约束显示并保存,完成创建块体单元,如图2所示。4地表及围岩模型的建立基于基础模型的数值计算模型的建立包括两个方面,一是根据地表的实体表面网格坐标文件建立地表及围岩的数值计算模型;二是根据矿体和采空区的块体质心点坐标文件,建立矿体和采空区的分组,对整体的模型进行赋值。采空区数值计算模型的建立如下。4.13dx软件的可视化网格flac3d值的计算(1)建立实体模型并进行块体建模数值建模时可采用多边形网格来描述地质体和开采过程所形成的形体边界。3Dmine软件可以在建立实体模型后进行块体建模。块体建模是通过八叉树法来实现的。在遇到属性不同的岩体边界时,若网格过大,网格就不断细分,一直到同一区域的属性单一为止。通过不断细分的方式,在形体上就可以模拟出地质体的边界,同时该网格也就包含了所处空间位置的岩石性质。(2)初始网格模型建立FLAC3D在计算求解中将连续介质离散为若干个六面体单元。在建模时,为较快地建立计算模型,FLAC3D软件为用户提供了12种初始单元网格模型,即:Brick、Degeneratebrick、wedge、Tetrahedron等。4.23模型数据转换3Dmine中构成块体模型的基本单元仅有规则六面体,且所定义单元块的大小是2的倍数关系,符合FLAC3D中相邻单元合并节点的要求,在模型导入后有利于网格间的连接。因此,以FLAC3D中的基本单元六面体为基础实现模型数据的转换。由于在3Dmine中单元不存在节点顺序的问题,所以由3Dmine中规则六面体单元质心点坐标、单元大小,并结合图3所示FLAC3D中六面体单元每一节点位置即可计算出P0～P7节点的X、Y、Z坐标,实现模型单元数据的转换。图4为采空区经过模型转换后得到的三维数值计算模型。5单元大小的选取采空区群FLAC3D数值计算模型建立完毕后,空区单元大小为4m×4m×4m,其他区域的单元大小适当稀疏,要根据计算机的计算能力去定。此时可根据计算模型进行采空群稳定性数值模拟分析。5.1岩体泊松比的计算根据工程实践确定石人沟铁矿岩体的折减系数,采用0.8的折减系数来确定岩体的弹性模量E,采用1.0的折算系数计算岩体的泊松比,根据下式计算岩体的剪切模量和体积模量:体积模量:bu=E3(1−2μ)bu=E3(1-2μ);剪切模量:G=E2(1+μ)G=E2(1+μ)石人沟铁矿岩体围岩较为单一,空区顶、底板均为黑云母角闪斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩,具体物理力学参数见表1(试验数据)。5.2初始地应力场计算数值模拟的初始地应力场是否与实际地应力场吻合,是决定地下工程数值模拟是否成功的基本条件。初始地应力场生成的主要目的是为了模拟所关注分析阶段之前岩、土体已存在的应力状态。目前初始地应力场生成的主要方法有3种,分别为:弹性求解法、更改强度参数的弹塑性求解法和分阶段弹塑性求解法。综合考虑石人沟地下采空区处在-60m水平以上,最终选用弹性求解法来生成初始地应力场。生成初始地应力场时,模型的底部采用全约束,4个侧面也进行固定约束,地表作为自由面,只考虑岩体的自用应力场,图5为分析区域生成的初始地应力场和最大不平衡力历时图。从图5可以看出,用弹性求解法得到的地应力初始应力场基本符合实际情况,最大不平衡力在该过程中区域平衡,可以进行后面的计算。5.3开挖过程中最大不平衡力石人沟铁矿-60m水平采空区稳定性数值模拟模型建成后,应针对实际开采顺序进行模拟。矿山实际开采中,每个中段的采场是分次回采的,在时间上表现为不连续。综合考虑计算结果的准确性和计算工作量,在进行模拟计算时,为了便于对开挖的整个空区进行数值分析,认为每个采场都是一次性开挖完成,在时间上是连续的。每个分析区域的计算流程如图6所示。模拟开挖计算在初始地应力场中进行,每次开挖后计算平衡的判断依据是最大不平衡力曲线,在最大不平衡力接近零且保持不变时表示计算达到平衡,整个模拟计算完成。其中最大不平衡力发生突变的点代表正在开挖中,然后围岩应力通过调整又逐渐趋于平衡。石人沟铁矿各个分析区域中的采空区开挖过程中最大不平衡力历程如图7所示。从图7中可以看出,当进行矿房开挖时,应力出现突变,矿房每次开挖后应力都逐渐趋于平衡。5.4模拟结果分析5.4.1空区中间部位如图8所示以csj-2#采空区为例,最大Z向位移发生在采空区上盘靠近顶板位置,大小为4.1cm,向下;Y向位移表示采空区两帮的位移,最大Y向位移为4.6mm,发生在下盘采空区中间部位,顶板处的位移为4.0mm都是指向空区位置的。csj-2#采空区位移云图显示,最大位移在上盘采空区中间部位,大小为4.2cm。分析位移图可以看出,开挖结束后,空区顶板位移较大,从数值计算的结果来看,以采场顶板垂直位移为主。产生位移后容易在自重和附近爆破震动的情况下发生塌落现象,因此依据上述所有Z方向位移数据对采空区顶板位移分级,详见表2。表2中位移移动范围:Ⅳ级>5cm,Ⅲ级3.5～5cm,Ⅱ级1.5～3.5cm,Ⅰ级<1.5cm。矿柱的位移以侧向位移为主,都比较小,说明目前采空区的矿柱比较稳定。5.4.2顶空区最小主应力分析采空区的开挖对围岩造成的影响是一个非线性的不可逆的加载过程,它使得处于初始地应力状态下的围岩进行应力重分布,最后达到新的平衡。采空区开挖引起径向应力释放,切向应力增加,导致顶板和底板产生拉应力。如图9所示为措施井采区的最大主应力和最小主应力云图,可以发现,在2#采空区的顶板位置处的最小主应力为0.25MPa,为拉应力,最大主应力出现在2#采空区的左侧空区壁下部,为7.74MPa,顶板的最大主应力为7.00MPa。分析图9可以看出,顶板所受的压应力很小,逐渐转变为拉应力,甚至有的出现了拉应力,空区围岩大多数受很小的压应力,且部分围岩可能由受压转变为受拉。因此,选择最小主应力分级说明空区的顶板和围岩受拉或者接近拉应力的程度,可分为4级。最小主应力>0时,出现拉应力,为Ⅳ级;最小主应力为-0.5～0MPa时,为Ⅲ级;最小主应力为-1.0～-0.5MPa时,为Ⅱ级;最小主应力<-1.0MPa时,为Ⅰ级。顶板最小应力分级见表3。采空区顶板的危险性随着等级的升高而增加。5.4.3塑性区的延伸范围对采空区的开采引起塑性区的产生和发展,分2个方面讨论,垂直方向上的塑性区分布可以观察采空区周围塑性区沿着围岩的发展情况,水平方向的塑性区可以观察因为采空区的产生,塑性区的延伸范围。(1)垂直方向上的弹性区域分布由2#采空区的塑性区分布图(略)可以发现,采空区围岩均出现过塑性区,在采空区上盘的底部仍然存在塑性区。(2)塑性区扩展的范围水平方向塑性区主要为了观察塑性区在水平方向上的扩展范围。由措施井采区-40m水平塑性分布区图(略)可以看出,其塑性区扩展的非常严重,围岩的塑性区扩展的范围很广,尤其是8#、11#、12#、X#采空区的塑性区已经贯通。5.4.4根据采空区顶板的分级情况进行划分(1)采空区的位移场分析表明,采空区的位移以顶板的Z向位移为主,矿柱的侧向位移较小,采空区密度较大的区域,顶板的位移普遍较大,采空区相对较少的区域,顶板的位移较小,大量采空区集中在一个区域中,会产生一种“群效应”,这种效应产生的影响,比单个采空区产生的作用要大。最后根据采空区的顶板位移对顶板进行了分级,共分为4级。级数越高,位移越大,措施井的采空区都位于Ⅲ级和Ⅳ级区域,较危险。(2)采空区的应力分析表明,采空区顶板的最小主应力很小,说明采空区顶板在逐渐向拉应力区域靠近,根据顶板的拉应力情况对顶板进行了分级,分为4级,出现了拉应力的顶板为Ⅳ级,也是最危险的。最大主应力主要出现在采空区的侧壁和矿柱的底部,最大主应力值出现在措施井区域,周围采空区越多,最大主应力也就越大。(3)通过塑性区分布可知,措施井采区由于空区密度较大,该区域的围岩及矿柱已经出现了相当严重的塑性破坏区,采空区之间的塑性区大多出现了贯通,说明当某个区域采空区密度较大时,塑性区的分布会比单个采空区的塑性区明显变大,采空区之间产生了一种“群效应”,这种效应使得采空区之间相互影响,使围岩加剧